MEMS集成光纤连接器关键技术研究

摘要

随着当前光纤通信系统应用的不断增长，光纤连接器已经成为光通信系统中的重要光无源器件之一，用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接。随着光系统的小型化和光纤配线架上连接器密集化程度的不断增加，传统连接器逐渐显示出体积过大、价格太贵的缺点，MEMS光纤连接器凭借其加工精度高、零件尺寸小、无需装配和可批量制造的优点展现出了巨大的市场潜力和广阔的应用前景。 本文在总结现有的MEMS光纤连接器的特点并针对其所存在不足的基础上，结合体硅工艺和非硅基三维微加工技术，创新性地提出了以下两种新型结构设计：（1）基于流线型微弯曲面盖板的自适应式MEMS集成光纤连接器；（2）基于双层复合膜盖板的电热驱动主动式MEMS集成光纤连接器。 对于自适应式，首先通过光学理论简单分析了三种错位情况（径向错位、轴向间隙和角向偏差）对单模光纤光功率耦合效率的影响，从而确认了硅V型槽精确制备的重要性；其次采用ANSYS有限元软件对金属镍薄膜弹性双悬臂梁在光纤插入后产生的应力和压制力随翘曲位移产生的变化进行了仿真分析，合理控制悬臂梁厚度和翘曲位移可使应力均匀，并获得足够的光纤压制力；再次，通过一系列流片实验整合了流线型微弯曲面光刻胶牺牲层成型技术、厚胶上打底再甩胶电镀和硅V型槽的湿法刻蚀等单项工艺，成功摸索了一套简单、可靠性好和集成制造的器件制作工艺，制作出了不同尺寸的单元MEMS光纤连接器器件并在此基础上集成制造了多通道阵列；最后对样品进行了主要光学性能指标的测试。测试结果表明：当镍薄膜双悬臂梁盖板厚度在4－6mm范围内、实际硅V型槽开口宽度205－215mm之间、光纤插入后悬臂梁翘曲位移为5－10mm时，可确保插入损耗约为0.3dB。 针对自适应式MEMS光纤连接器的一些诸如悬臂梁夹持力较小、插拔过程中光纤受损和阵列化的光纤连接器结构插拔空间小等问题，进一步提出了一种基于双层复合膜盖板的电热驱动主动式MEMS集成光纤连接器，借助双层复合膜通电后的较大翘曲位移和断电后的回复压制作用分别实现光纤放置的大空间和精确定位光纤于V型槽内的功能。利用ANSYS软件对一种尺寸参数配比的双层复合膜的各项性能结果进行了模拟仿真并对此结构设计了完整的工艺流程，初步的单项工艺实验还在实施过程中。